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地球物理学报 2018年第10期杂志 文档列表

地球物理学报杂志重力学·地球动力学·地震学·地磁学

基于奇异谱分析的静态相对重力观测重力固体潮提取3889-3902

摘要：针对相对重力测量数据中存在的重力固体潮信号,本文提出将奇异谱分析方法(Singular Spectrum Analysis,SSA)应用到相对重力测量数据处理中,在不需要测站坐标等先验信息的条件下从相对重力数据中提取重力固体潮,提供了一种获取重力固体潮的新思路.采用模拟的相对重力数据进行实验,利用SSA方法和小波变换方法分别从模拟信号中提取重力固体潮并进行结果对比,SSA获取的重力固体潮与理论值残差RMS为0.3μGal,小波方法获取的残差RMS为1.6μGal.利用CG-5相对重力仪实测数据进行实验,提出一种利用SSA外推时间序列来削弱边界效应的新思路,实验结果显示采用这种方法后重力固体潮值与理论值残差序列的RMS和STD均有所减小.通过实验发现削弱边界效应后SSA提取的重力固体潮与采用Tamura潮波表计算的重力固体潮理论值残差RMS值为2.2μGal.利用SSA提取的零点漂移值与最小二乘拟合得到的结果基本一致,十天内的差值小于0.4μGal/d.

考虑非均匀地幔的重力-地震联合建模3903-3916

摘要：本文提出在综合地球物理研究中,为了使重力数据处理和反演更加符合实际的地质情况,重力-地震联合建模分析时应当考虑非均匀地幔物质的重力效应.本文针对含油气盆地结构、断裂构造、大陆边缘演化和洋陆转换带等热点地质问题,广泛调研了全球范围内多个地区的综合地球物理研究成果,及其对应的地幔深部结构,发现地幔的横向不均一性是普遍存在的.在以往许多基于重力、地震数据的综合研究实践中,重力异常分离和建模分析通常都是在地壳内部(莫霍面以上)进行的.这种处理方式实际上是以均匀地幔为假设前提,虽然简化了重力异常分离和建模分析的难度,但忽略了地球深部的不均匀性所带来的重力异常,所获得的剩余重力异常和在此基础上进行的密度结构反演、地质解释会存在偏差.本文通过对模型界面的2D正演,定量探讨了非均匀地幔对布格重力异常的影响.在对四川盆地的实例研究中,剥离了非均匀地幔的重力效应,2.5D重震联合模拟的结果明显优于均匀地幔假设条件下的结果.

华南陆缘高热流区的壳幔温度结构与动力学背景3917-3932

摘要：华南陆缘是我国重要的矿产、地热资源区.晚中生代以来,在太平洋板块西向俯冲,地幔热对流活动共同作用下,该区出现多期岩浆-热事件和大规模爆发式成矿作用.在前人研究基础上,本文利用地表热流观测资料、地震剪切波资料、重力位球谐系数,计算了壳-幔温度结构,分析了动力学背景.计算结果表明:华南陆缘东南沿海地带,地壳10 km以浅温度达200℃以上,居里点温度475℃,莫霍面平均温度550℃.地壳浅层较热,花岗岩中放射性元素衰变放热是地壳浅层地下水热活动的重要热源,但地壳总体温度不高,为“冷壳热幔”型热结构.地幔中,90 km深度,温度950~1250℃;120 km深度,温度1050~1400℃;150 km深度,温度1200~1450℃;220 km深度,温度1500~1700℃.“热”岩石圈底界深度在110~150 km之间,西深东浅.岩石圈内,地幔应力场为挤压-伸展相间格局;岩石圈之下,地幔应力场为一个以南昌为中心、长轴NE-SW向的椭圆.分析认为,晚中生代以来,太平洋板块的西向俯冲,导致华南陆缘在区域性SE向地幔对流背景上叠加局域性不稳定热扰动,在175~85Ma期间,上地幔物质向上流动,形成不同的岩浆活动高峰期.同时,岩石圈地幔受俯冲洋壳流体的影响,含水量高,黏度小,在地幔流切向应力场作用下,岩石圈底界由西向东“波浪”状减薄.现今岩石圈之下仍具备地幔小尺度热对流温度条件,但除地表浅层外,地壳整体温度不高,岩石圈构造稳定.

青藏高原东缘中下地壳流与地壳变形3933-3950

摘要：地壳缩短导致青藏隆升造山是普遍的认识.然而,在青藏东部,越来越多的观测数据和研究支持了中下地壳流与隆升造山的关系.目前,地壳缩短造山机制和中下地壳流造山机制仍然处于争论之中.本文建立了二维黏弹塑性有限元模型,模拟了龙门山断层带的多个地震循环的应变与变形,探讨了无与有中下地壳流情况下,地壳地表的位移、速度与变形的分布和演化;以及有中下地壳流情况下,不同流动范围、速度与黏度对模型结果的影响;并结合地形变观测数据的约束,推测了青藏东缘中下地壳流的流动状态.模拟结果显示,通过对比有和无中下地壳流的模拟结果,发现青藏东部震间的地表垂向速度在变形样式及数值上存在较大差异,即存在地壳流的地表垂向抬升速率显著大于无地壳流;震间在龙门山断层西侧附近产生的垂向凸状隆起随中下地壳流的速度、黏度及通道长度的变化而变化.此外,本文研究结果对青藏其他地区可能存在的地壳流的研究也具有一定的参考意义.

利用接收函数方法确定青藏高原东北缘近地表S波速度3951-3963

摘要：公式推导和数值实验都表明远震接收函数直达波幅度对近地表S波速度比较敏感,可以用于确定近地表(如沉积层)的S波速度值.本文利用该方法分析了青藏高原东北缘区域数字地震台网36个台站的远震资料,得到了研究区近地表S波速度分布特征.研究结果表明:在深度5±2.5 km范围内,祁连山—河西走廊区域近地表S波速度均值较小;位于地形梯度带的甘东南区域近地表S波速度呈现较为复杂的分布.通过与该区域沉积层厚度结果对比,发现近地表S波速度与沉积层厚度呈现较好的负相关.本研究是对目前接收函数方法的有效补充,在探测研究近地表速度结构方面,相比人工地震方法其成本几乎可忽略且环保.在目前地震波观测数据海量增长的背景下,该方法对于确定不同区域近地表结构具有较大潜力.

井下地震计的P波接收函数正演计算及其稳定性研究——以首都圈地区为例3964-3979

摘要：井下地震计波形记录的P波垂向分量存在频谱极小(spectrum null)现象,导致接收函数的结果不稳定.本文以首都圈地区为例,基于平面波入射的传播矩阵理论,发展了用于计算井下地震计的接收函数正演方法.在此基础上,分析了井下地震计波形垂向分量频谱极小现象,研究其对接收函数稳定性的影响.结果表明,井下地震计波形记录垂向分量的频谱极小开始出现的频率和地震计的埋深相关.该现象可造成反卷积提取的接收函数不稳定,且不稳定情况出现在频谱极小附近的频段,可通过选择合适的高斯因子压制其对接收函数的影响.

1927年古浪8级大震及其周边地区三维地壳P波速度结构特征3980-3993

摘要：本文联合利用甘肃及周边测震台网记录的古浪及周边地区4592次地震的P波绝对到时资料和相对到时资料,采用双差地震层析成像方法反演了古浪震源区高分辨率的三维P波速度精细结构.结果显示,浅部P波速度分布与地表地质之间具有很好的对应关系.皇城—双塔断裂带在6 km以上深度表现为高速异常带,而在6~15 km逐渐转换为明显的低速特征,之后再次转换为高速体.震区下部在10~20 km深度有一个尺度约200 km 2的低速异常体,地震发生时破裂首先在该低速体发生,与主震空间位置非常吻合.主震区的岩石结构主要由奥陶纪变质砂岩、石英岩和加里东期的花岗岩等坚硬岩体组成.这种坚硬岩体对应的P波速度结构为高速体,有利于能量积累.武威盆地在20 km以上深度表现为明显的低速异常,在25 km深度之下,整体显示为高速体,表现出稳定块体的特征.表明武威盆地中下地壳和上地幔顶部已插入到冷龙岭隆起带之下.震区小震重新定位发现,皇城—双塔断裂带东、西两段表现出不同的力学运动性质,西段以逆冲运动为主,地震主要发生在断裂的下盘.而东段地震却主要发生在上盘,断层活动以局部拉张为主.我们还首次发现在皇城—双塔断裂带的中段与主破裂呈垂直方向存在有在主震发生时新产生的一条共轭断层,基于小震的断层面参数反演显示该断裂是一高倾角运动性质以右旋为主兼具正断的断裂.

三维复杂速度模型中地震事件震源轨迹的计算3994-4006

摘要：地球内部三维速度图像的广泛建立为进行高精度的地震定位提供了良好条件.使用震源轨迹确定震源位置不仅稳健而且直观,但三维复杂速度模型中的震源轨迹难以给出解析解.为此,本文提出了一种较准确地计算三维复杂速度模型中震源轨迹的数值方法.根据震源轨迹在残差场中的特点:(1)震源轨迹位于残差正负极性彼此不同的邻点之间;(2)绝对梯度在震源轨迹的法线方向最大;(3)在法线方向上越靠近震源轨迹残差绝对值越小,对于每个模型节点分别和残差正负极性与其不同的邻点组成的点对,将其中绝对梯度最大的点对作为震源轨迹法线点对,选取法线点对中残差绝对值较小的点(即震源轨迹所在模型单元的节点)作为震源轨迹代表点;在绝对残差场中数值较小的连通区域(可能有多个)内,利用最小走时树算法依次计算出每个连通区域中地震波从绝对残差最小点至同一连通区域内震源轨迹代表点的射线路径作为震源轨迹.算例表明:本文方法适用于三维复杂速度模型,对震源轨迹的稳定性及构成段数没有限制,计算的震源轨迹精细且较完整、可用于高精度的地震定位.

常Q滞弹性介质地震波动数值模拟——时域本构优化逼近4007-4020

摘要：在地震波动模拟中计入常Q滞弹性阻尼,可有效降低模拟波形的误差.就时域有限差分和有限元模拟而言,常基于广义标准线性体建立阻尼介质的时域本构逼近.广义标准线性体由若干标准线性体并联得到,增加标准线性体个数能有效提高模拟精度,但计算量及计算存储将成倍增长.目前尚未有普适的标准线性体个数优化取值方案.本文基于广义标准线性体参数的非线性优化拟合方法,详细分析了时域本构逼近误差的影响因素,清楚揭示了逼近误差仅取决于频带宽度,与频带上下限取值无关这一特性,阐明了构建具有普适性标准线性体个数优化取值方案的可行性.论证了波形模拟精度主要取决于波传播距离与模拟波长的比值以及标准线性体的个数取值.综合考虑上述两个控制因素,结合在波动正反演问题中广为采纳的波形时频误差衡量准则,对不同Q值介质给出了标准线性体个数优化取值表.进一步,本文提出采用不同个数标准线性体以近似不同Q值的阻尼介质时域本构,解决了以往波动数值模拟中统一采用相同个数标准线性体而导致的计算量及计算存储浪费或模拟精度低下等问题,并基于数值实验验证了这一方法的精度.本文工作对推进滞弹性介质波动数值模拟及其在全波形反演问题中的应用具有理论价值和实践意义.

基于强震动资料的破裂过程快速反演及其自动化的可行性4021-4036

摘要：破裂过程快速反演是目前快速获取地震灾害特征的主要手段之一,是震后应急工作的重要内容.近十年来基于远震资料开展的手动快速反演工作取得了长足进步,但在响应时间方面存在固有的局限,阻碍了反演效率的持续提升.我们根据新近发展的IDS(Iterative Deconvolution and Stacking)自动反演方法,尝试反演近场强震动资料确定破裂过程,探讨破裂过程反演自动化的可行性.对近几年国内发生的强震——包括2013年芦山M W6.6地震、2016年青海门源M W5.9地震和2016年新疆阿克陶M W6.6地震——的应用结果表明,采用IDS方法反演强震数据可以得到稳定可靠的破裂模型,且反演计算时间都控制在几十秒内.此外,以2008年汶川M W7.9地震为例,测试了不同子断层尺度、截止频率和地壳速度结构模型对反演结果的影响,发现滑动分布主要特征不强烈依赖于反演参数和地壳模型,证实了自动反演的稳定性和很强的适应能力.这一研究表明,基于强震动资料的自动反演可能是破裂过程快速反演的主要发展方向.特别地,在未来强震动台网持续发展、强震动数据的质量和共享速度都得到进一步提高之后,这一工作可望纳入到地震参数的常规自动测定工作中,为震后应急和海域地震的海啸预警提供急需的震源模型.

Sentinel-1A及ALOS2数据约束下的阿克陶地震震源参数反演及发震构造研究4037-4054

摘要：2016年11月25日,在新疆阿克陶县发生了M W6.6地震.本文利用Sentinel-1A宽幅数据和ALOS2精细数据获得了同震形变场,干涉形变场沿木吉断裂展布,显示本次地震破裂长度可达70 km,在地表形成两个形变中心,且震中东部形变场条纹密集而西部稀疏、影响范围广,跨断层剖面显示视线向最大形变量可达12 cm.利用一种结合先验知识的多视角最小二乘迭代分解法求解出地表的三维形变场,结果显示震中东部形变中心垂向向下运动最大可达20 cm,木吉断裂南侧西向运动可达10 cm,断层表现为右旋走滑兼具正断作用.采用前向模拟的方法确定二段式分段断层模型能够较好地恢复观测形变场,进而以InSAR观测数据为约束,基于弹性半空间形变模型采用两段非均匀断层滑动模型来反演断层面上的精细滑动值.反演结果显示本次地震可能为两次地震事件,发生在断层西段的第一次事件以右旋走滑为主,走向103°,倾角76°,滑动角-167°,震源深度10.1 km,累计地震矩为7.2×10^18 N·M;东段的第二次事件为右旋走滑兼具正断作用,走向109°,倾角略缓约55°,滑动角-160°,震源深度5.3 km,累计地震矩7.76×10^18 N·M.本次地震是一次发生在公格尔拉张系的拉张环境下的构造地震.

使用宽频带地震记录研究2017年6月24日茂县新磨滑坡的动力学过程4055-4062

摘要：北京时间2017年6月24日5时39分左右,四川省茂县叠溪镇新磨村发生大型岩质滑坡.体积约4.3×10 6 m 3的巨型岩体从山顶脱落,顺坡滑行约2.6 km后破碎沉积;碎屑物掩埋了整个新磨村,造成了巨大的人员伤亡和财产损失.本文使用来自滑坡周围的10个地震台站的宽频带观测资料的长周期信号反演了这次滑坡的受力时间函数;同时使用逐步细化的格点搜索方法得到了滑坡的位置,与其真实位置一致;根据反演的受力时间函数计算了滑坡过程中滑体的运动学参数,得到的滑体运动轨迹与实际路径吻合.综合分析地震信号、受力时间函数和运动学参数表明,本次滑坡主运动的持续时间约为79 s;脱落岩体在5∶38∶50.2启动后持续加速,在5∶39∶37.2达到速度峰值,约为52.1 m·s^-1;这段时间内岩体没有明显的破碎;之后,岩体开始铲刮并裹挟古滑坡造成的碎屑沉积物,自身也开始破碎解体,总体开始减速运动,直到5∶40∶9.2主运动停止;此后,小规模的碎屑散落又持续了约10 s的时间.

基于BSWT-DDTFA方法的地球天然脉冲电磁场震前信号时频分析研究4063-4074

摘要：地球天然脉冲电磁场(ENPEMF)信号,可理解为地球天然变化磁场的瞬间扰动,携带了大量有用的地质构造及其动力学信息.研究ENPEMF信号所蕴含的时间-频率联合分布特点,有利于深入了解目标对象的地球物理现象及其地质动力学原理.本文针对ENPEMF信号的非平稳特点,在数据驱动时频分析方法(DDTFA)的基础上提出了基于二值化同步压缩小波变换的改进算法(BSWT-DDTFA).该算法可以实现数据驱动初始相位自动赋值的功能,具有自适应性.实验仿真和实际数据均证明了该改进算法不仅能够得到较为精确的频率曲线和更加清晰的时频分布,而且具有较强的抗噪声能力.以2013年芦山M S7.0地震为例,利用BSWT-DDTFA方法提取ENPEMF信号的时频特性,结果表明ENPEMF信号的时间-频率-幅度分布在震前有明显的异常特征.

塔里木盆地东北缘晚新生代钻孔岩心磁性地层年代学及其构造意义4075-4087

摘要：塔里木盆地的高分辨率沉积记录对于理解青藏高原隆升、亚洲内陆干旱化乃至全球气候变化至关重要.建立可靠的地层年代标尺对于研究塔里木盆地晚新生代沉积环境演化、构造运动及古气候变化具有重要意义.本文对塔里木盆地东北缘库尔勒地区的两个全取心钻孔ZK3(深500 m)、ZK5(深300 m)进行详细的磁性地层学研究,结果表明,ZK3孔中更新统底界为54.8 m,下更新统底界为167.0 m,上新统底界为432.0 m,钻孔底部年龄约为6.2 Ma,属上中新统上部;ZK5孔中更新统底界为64.7 m,下更新统底界为241.5 m,钻孔底部年龄约为3.2 Ma,属上上新统.基于上述磁性地层年代标尺,通过沉积速率分析发现ZK3孔在3.0—3.6 Ma之间沉积速率明显增大,反映了塔里木盆地北部天山在此期间的快速隆升.通过东西部多个盆地地质剖面沉积速率的对比分析发现,这期构造活动在区域上具有准同期活动特征,在时代上与晚中新世以来青藏高原快速隆升的时代一致,可能与青藏高原的隆升扩展效应有关.

地球物理学报杂志应用地球物理学

同时震源数据的加权结构增强最小二乘逆时偏移4088-4099

摘要：同时震源(Simultaneous-source,SS)地震采集技术能有效地提高地震数据采集效率,但直接对SS混合数据偏移成像会在最后的成像剖面中引入很强的串扰噪声.将SS数据偏移成像看作一个反演问题,利用最小二乘(Least-squares,LS)求解是压制SS直接成像中串扰噪声的一种有效尝试.构造增强滤波(Structure-enhancing filter,SE)约束的最小二乘逆时偏移(LSRTM)方法可以有效地压制SS数据成像中的串扰噪声,但SE实质为低通滤波,会将成像中的陡倾角等细节信息平滑涂抹,降低成像分辨率.本文在利用SE对LSRTM约束的基础上,提出了基于加权构造增强约束的LSRTM方法(WSE-LSRTM)并应用于SS数据的反演成像中.该方法不仅能够有效地压制串扰噪声(cross-talk)、保留结构信息,而且可以保护成像中的陡倾角结构不被过度平滑而破坏.在对简单模型和复杂Marmousi模型的数值测试中,该方法都取得了良好的效果.

基于新的惩罚因子算法的波场重构反演4100-4109

摘要：全波形反演是一种高精度的反演方法,其目标函数是一个强非线性函数,易受局部极值影响,而且反演过程计算量较大.波场重构反演是近几年提出的一种改进的全波形反演理论.该反演方法通过将波动方程作为惩罚项引入到目标函数中,通过拓宽解的寻找空间减弱了局部极小值的影响,而且反演过程不需要计算伴随波场,提高了计算效率.但该反演方法一直缺少准确的惩罚因子算法,直接影响到该方法的准确度.本文将波场重构反演拓展到时间域并利用梯度法进行波场重构.频率域的惩罚因子用来加强波动方程的约束,而时间域惩罚因子表现为调节模拟波场和实际波场的权重因子.为此,我们根据约束优化理论,在波动方程准确以及重构波场与反演参数解耦的假设下,提出以波动方程为目标函数的新的惩罚因子算法.根据波形反演在应用时普遍存在的噪音干扰、子波错误和低频信息缺失的情况下,应用部分Sigsbee2A模型合成数据对本文提出的算法进行实验.数值实验结果表明:基于新的惩罚因子算法,在其他信息不准确的情况下,波场重构反演可以给出高精度的反演结果.

地震油气储层的小样本卷积神经网络学习与预测4110-4125

摘要：地震储层预测是油气勘探的重要组成部分,但完成该项工作往往需要经历多个环节,而多工序或长周期的研究分析降低了勘探效率.基于油气藏分布规律及其在地震响应上所具有的特点,本文引入卷积神经网络深度学习方法,用于智能提取、分类并识别地震油气特征.卷积神经网络所具有的强适用性、强泛化能力,使之可以在小样本条件下,对未解释地震数据体进行全局优化提取特征并加以分类,即利用有限的已知含油气井段信息构建卷积核,以地震数据为驱动,借助卷积神经网络提取、识别蕴藏其中的地震油气特征.将本方案应用于模型数据及实际数据的验算,取得了预期效果.通过与实际钻井信息及基于多波地震数据机器学习所预测结果对比,本方案利用实际数据所演算结果与实际情况有较高的吻合度.表明本方案具有一定的可行性,为缩短相关环节的周期提供了一种新的途径.

震后地下岩层分形渗透率的时间演化规律研究4126-4135

摘要：天然地震发生后,地震波及区域内的地下岩层渗透率常常会发生显著改变,其变化曲线显示出独有的特征,造成这一现象的机理较为复杂,传统渗流理论尚不能给出合理解释.针对这一问题,从震后渗透率变化规律入手,深入分析了地下岩层裂缝体系对渗透率的影响,给出了裂缝结构参数与渗透率之间的定量关系.结合岩层黏弹特性以及天然地震所产生的地下岩层体应变特征,基于裂缝体系分维度正比于外部应力的实验事实,将黏弹体应力松弛机制引入该体系,对裂缝分形渗透率模型进行了含时推广,建立起震后地下岩层渗透率的时间演化模型,理论预测曲线与实验曲线吻合较好.在此基础上提出‘分形裂缝渗透率松弛效应’这一全新概念.本研究为震控流体运移研究提供了新思路,对于揭示震后断层恢复机制,探讨断层活动与孕震的关联有一定的理论价值和现实意义.